船舶配电和推进系统的制作方法

专利名称：船舶配电和推进系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种船舶配电和推进系统，更加具体地说，涉及一 种能实现最大的功率密度、效率和稳定性，并且通过模块化方法和标 准接口促进未来技术嵌入的系统。
背景技术：
在采用全电力推进(FEP)的传统船舶配电和推进系统中，故障 电流幅度-时间辨别被用来使得保护开关装置能够中断特定子电路中 的过电流故障，同时使对所有其它子电路的实际破坏最小。这种FEP 系统被认为利用了 "电厂原理"，其中目的是使在任意特定时间并入 电网的发电能力适应在那个时间正被驱动的总负载。这具有使燃料效 率最大化的效果。这种FEP系统的配置通常通过电力管理系统而进行 了某种程度的自动化，所述电力管理系统有权以优先顺序的方式减载 和起动发电机。交流电通过FEP系统以中压(MV)分配以便与基于地 面的系统保持兼容。
传统FEP系统的一个例子如图l所示。 一系列涡轮机T和柴油 机D被用于为各个发电机G提供动力。这些发电机通过中压(MV)交 流母线系统向FEP系统提供交流电源，该中压交流母线系统装备有保 护开关装置。保护开关装置包括断路器和相关的控制，并且在图1 中由符号X表示。使用电力转换器PC将MV交流母线系统与驱动螺旋 桨的电力推进马达PM连接。滤波器F也与MV交流母线系统连接。MV 交流母线系统被划分成第一 MV交流母线和第二 MV交流母线，它们通 过保护开关装置互连。第一低压(LV)交流母线通过第一变压器而与 第一 MV交流母线连接。第二 LV交流母线通过第二变压器而与第二 MV交流母线连接。第一和第二 LV交流母线通过保护开关装置互连。 可将一系列未指定的主负载和次要负载分别与第一和第二 LV交流母线连接。从图1可以清楚看出次要负载是通过第一和第二次要LV交 流母线与第一和第二 LV交流母线连接的。
沿着图1的右手侧示出了 FEP系统的六个幅度-时间辨别等级。 在每个辨别等级中通过x符号来代表保护开关装置。例如，在辨别等 级6中，保护开关装置位于MV交流母线和每个发电机G之间。在辨 别等级5中，保护开关装置位于MV交流母线和每个滤波器F之间以 及MV交流母线和每个电力转换器PC之间。保护开关装置位于MV交 流母线和每个变压器之间，变压器用于将第一和第二 MV交流母线分 别与第一和第二LV交流母线连接。在辨别等级4中，保护开关装置 位于每个变压器和各自对应的LV交流母线之间。在辨别等级3中， 保护开关装置位于第一和第二 LV交流母线和每个主负载之间，以及 每个分别馈至次要LV交流母线的线路上。在,别等级2中，另外的 保护开关装置位于第一、第二LV交流母线和次要LV交流母线的相 关部分之间。在辨别等级l中，保护开关装置位于次要LV交流母线 和每个次要负载之间。
在FEP系统的任何特定辨别等级中发生的短路必定会切断那个 等级中的相关保护开关装置，但不能使任何其它保护开关装置切断。 保护故障电流水平完全由电源阻抗确定，而保护开关装置只有在峰值 故障电流通过之后才能很好地中断故障电流(即，故障期间在FEP 系统中的电流)。因此通常只有在线路电流反向时或在其后非常短的 时刻才能中断故障电流。
图1中所示的传统FEP系统具有下列技术缺陷。
故障电流的幅度受在特定的公共耦接点上并入电网的发电机G 的数量和类型的影响；组合的发电机阻抗越低，故障电流越大。预期 的故障电流会发生较大变化，并且保护设备设置可能必须是连续可调 节的以便保证故障辨别。
故障电流的幅度随分配电压(即，由FEP系统中的各种交流母 线所运送的电压)的降低而提高。随着总安装额定功率的提高和/或 分配电压的降低，最终的故障电流可能会超过可用保护开关装置的容 量。中压配电系统可能必须使用负载降压变压器和特殊化的绝缘系统
11以便允许使用足够高的分配电压来克服保护开关装置限制。
发电机G的特性可能按照时间相关性以及交流和直流分量的峰 值幅度发生广泛的变化以帮助负载分配。(设计自动电压调节器 (AVR)来帮助负载分配)。另外，这些特性受与发电机耦接的原动
机类型(例如，柴油机D或涡轮机T)的极大影响，并且它们最终耦 接的控制和调整响应可能会有极大的不同。当一组发电机G与一个公 共耦接点连接时，这种不一致通常会产生问题，特别是在无源电路(例 如，滤波器和变压器)切换期间和在负载瞬变期间。
FEP系统通常被分割成多个公共耦接点，它们被称之为"岛压 点"。可将所有岛压点并行地连接起来以给出一个单岛压点结构(例 如，用于单引擎运行)，或者可将它们分开以提供冗余和设备故障后
的适度容量退化。个体岛压点之间的同步和负载转移是复杂的，尤其 是当它们具有不同的谐波污染度时以及当存在上述的不一致时。推进 电力通常是从推进分配系统(PDS)中的岛压点汲取的，而其它负载 是通过船舶业务分配系统(SSDS)中的岛压点馈电的，其中船舶业务 分配系统的电源通常是从PDS获得的。保护辨别和电源品质通常与从 最大发电机G向下延伸至最小电负载的公共层级相关联。必须提供装 置来使相对敏感的SSDS免受PDS中的具有相对鲁棒性的电力和推进 设备的潜在有害影响。临界电负载可能需要自身具有专用电力变换和 能量存储设备的局部高集成度电源，以便维持所需的与PDS去耦的程 度。这些局部电源通常被称为分区供电单元(ZPSU)，并且它们的能 量存储通常被称为分区能量存储器(ZES)。
因为FEP系统是交流系统，所以许多变量都能影响其设计。这 些变量包括(还可包括其它变量)电压、频率、相位角、功率因数、 循环切换事件点、相位不平衡、整数和非整数谐波失真。因为这是复 杂的交流系统，所以能够认识到很难抑止影响这种配电系统的杂散和 人为阻抗之间的不可避免的谐振模。 一旦已经选择了交流分配频率 (即，由FEP系统中的各种交流母线所运送的交流电流的频率)，那 么这将大大影响发电机布局并最终限制原动机的轴速。在许多情况 下，这将不利地影响发电机和原动机的尺寸和性能。
12大多数传统FEP系统分配中压交流电流(MVAC)，同时还己知 分配低压直流电流(LVDC)。虽然这些LVDC系统通过限电流电源电 子装置从MVAC电流源获得它们的直流电流，但它们依赖直流断路器 (DCCB)来中断相当大的故障电流。
例如，SSDS可使用相位受控变压整流器从传统的MVAC分配系统 获得LVDC分配电压。并联冗余馈电线通过配电板来分配LVDC分配电 压，所述配电板包括故障电流额定的DCCB。每个ZPSU均通过插入调 节电源电子装置和防反馈二极管而被从这些配电板中的一对冗余配 电板馈电。
另一种SSDS可使用变压器隔离的紧接着的一个脉冲宽度调制 (P觀)电压源转换器(通常称为MV/LV线路转换器)来从传统的MVAC 分配系统获得LVDC分配电压。使用环形电路籴分配LVDC,以便通过 故障电流额定的DCCB向ZPSU和其它电负载提供冗余。
与传统交流电流分配系统不同，直流电流分配系统将不会经历 规律的电流线路反向。因此DCCB必须通过以机电的方式使触点断开 来中断故障电流，由此在触点之间产生弧电压。弧电压与系统电压相 对，该系统电压是供电电压源和感生电压之和，该供电电压源引起故 障电流流动，该感生电压对抗故障电流的任何减小。这允许弧电压减 小故障电流，并最终完全截断它。随着故障电流接近最终的截断，弧 电压将经受瞬时增加，其对于与SSDS连接的应力部件是已知的并会 产生电磁干扰(EMI)。该部件应力通过DCCB瞬变弧电压和从在供电 电压源中流动的故障电流的截断得到的SSDS分配电压的恢复量 (recovery)之和而被加剧。已知通过对这种配电系统应用电涌放电 器和缓冲器来减小瞬变弧电压和EMI。
还已知使用混合DCCB，所述混合DCCB使用功率电子开关装置和 电磁致动电子触点的串联连接组合使得功率电子开关装置快速切断， 电涌放电器和缓冲器缓和所导致的电压瞬变，并且在截断故障电流之 后断开电子触点。
线性调节器直流供电单元使用称作"折返(foldback)"的技 术来限制短路负载条件期间的调节器功率装置耗散。折返系统典型地
13包括限制输出电流的调节器，其基准依赖于输出电压。如果负载阻抗 降至特定的阈值以下，则限流调节器的初始动作将使输出电压减小， 其后是再生动作，该再生动作用于将输出电流和电压限制为适当的低 水平，并限制调节器功率装置耗散。

发明内容
本发明提供一种船舶配电和推进系统，其包括
第一推进驱动系统，第一推进驱动系统包括具有超导绕组的推 进马达和电力转换器；
第一推进电力产生系统，其用于向第一推进驱动系统供电，第
一推进电力产生系统包括具有超导绕组的发电机和电力转换器；以及 第一电力产生系统，其包括用于向第一业务分配系统供电的至
少一个电源，第一业务分配系统包括
用于运送分配电压和分配电流的至少一个直流分配母线，以及 至少一个配电板。
总的来说，所述配电系统至少包括一个电源，该电源的输出电 流被整流，或者该电源的输出电流自然地产生直流电流。优选地根据 电源折返和稳定特性通过快速动作装置(例如电力转换器)来限制输 出电流，所述快速动作装置最初使最大预期故障电流远大于传统的阻 抗限制情况，并且随后在协调动作中使输出电流变换方向。电源折返
和稳定特性还通过结合稳态下垂(droop)分量来有助在并联的电源 之间进行电流分配。而且，电源折返和稳定特性还通过结合适当的瞬 时响应来有助于稳定分配电压，所述适当的瞬时响应被叠加在稳态下 垂分量上。
当对船舶配电和推进系统应用低阻抗故障时，根据折返方法， 所述至少一个电源的动作最终将使故障电流被中断。在故障电流中断 进行的同时，与故障电流路径相关的配电板中的与保护开关装置相关 的传感器和一个相关的电子处理器检测到了该故障并判断保护开关 装置必须被断开。 一旦故障已经被中断，则电子处理器判断确存在情 况并指令保护开关装置(可选择的为卸载型开关装置)断开。可将大量电负载连接至船舶配电和推进系统，并且根据特定的
减载(load shed)和稳定特性通过快速动作装置(例如电力转换器)
对所有这些电负载进行电子调整，所述特定的减载和稳定特性以与所 述至少一个电源的输出电流的上述换向相协调的方式除去负载电流。
当断开保护开关装置时，除去负载电流的结果是允许根据折返方法恢 复所述至少一个电源的输出电压。该输出电压的恢复根据减载方法起 动电负载的再应用。所述减载和稳定特性还会引起与将要叠加在电负 载的稳态响应上的电源电压相关的负载电流的特定瞬时响应。
还可通过借助其它传感器和电子处理器、或通过特定的电子处 理器命令、通过交互跳闸的方法检测到的其它故障模式来启动上面的 方法。所述方法的所有方面优选地是可通过适当的装置来进行编程 的。所述船舶配电和推进系统并不需要为了操作而在所述至少一个电 源、保护开关装置和电负载之间进行串行通信，这是因为配电系统本 身提供了分布式智能和有效的通信装置。所述船舶配电和推进系统的 所有部件都能自动和自主的操作。然而，如果提供串行通信，那么船 舶配电和推进系统就能受益于智能增加和自动控制。可以为所有部件 提供局部手动控制。
优选地，通过船舶配电和推进系统(尤其是结合有分区能量存 储器的一个或多个分区配电子系统)来分配电力。更具体地讲，每个
分区配电子系统均包括分区供电单元和分区能量存储器，其中分区供 电单元用于向至少一个电负载供电，分区能量存储器与第一业务分配
系统中的至少一个配电板连接，用于向分区供电单元供电。这些分区 能量存储器本质上能够支持可逆电力流。分区能量存储器可以自第一 业务分配系统充电，以便向与分区供电单元连接的电负载提供连续的 电力，而不管分配电压是否中断。然而，分区能量存储器还可以反过 来向第一配电系统供电以帮助设立分配电压。
优选地，利用电力转换器使所有电源的输出适应适当的直流分 配电压并提供对故障电流的限制。这允许更大的设计自由度和发电设 备的最佳化。所有电负载优选地也可通过电力转换器来调节，这会有 效地帮助设立分配电压并限制故障电流和切换瞬变。只需要对船舶配
15电和推进系统(尤其是保护开关装置)的连续运行负载进行最佳化， 这是因为故障电流和切换瞬变通过主动装置被限制。
所述船舶配电和推进系统优选地具有高度冗余和可配置的布局 以提供适度退化。如果将船舶配电和推进系统用在海军船舶或潜艇 上，由于在海军船舶或潜艇上即使部件被损坏也必须对关键系统连续 供电，则这一点特别重要。船舶配电和推进系统的稳定性意味着可提
供髙脉冲负载(类似例如动能(KE)射弹和无人航空器(UAV)发射
台)。任何电负载所汲取的电力部分可被连续地调整以使效率最佳并 且便于在单个岛压点和多个岛压点结构之间的"无振"过渡。相对于 总安装发电容量，该分配电压可以低于传统配电系统中的分配电压， 由此降低了绝缘要求并且使功率密度最大化。
所述船舶配电和推进系统的操作本质上是自动的，但也可以结
合手动倒退(reversionary)模式。所有关键部件优选地都是智能化 的和自动化的。所述智能可被概述如下。
当起动电源(例如发电机)时，其相关电力转换器调整输出电 压并使它斜向上升至刚好低于期望的输出电压。相关保护开关装置检 测到这种准备就绪状态并关闭。电源相对于反馈是安全的，在检测到 其处于并入电网状态之后转变成其特定的输出特性。
当发生严重的过载时，通过电源折返和稳定特性来限制故障电 流。保护开关装置借助其传感器来快速地定位和对故障分类。如果故 障持续，则电源折返和稳定特性将使输出电压降低。所有电负载卸掉 或回到分区能量存储器中。保护开关装置检测到断开受影响的输出是 安全的。当消除故障时，被卸掉或已经回复至分区能量存储器的所有 其它电负载蓄积起来，输出电压根据电源折返和稳定特性恢复，并且 减载和稳定特性被消除。
根据减载和稳定特性能调节第一推进驱动系统的推进马达。更 具体地讲，第一推进驱动系统的电力转换器优选地由一个调节器来调 节。该调节器以满足船舶的推进需要的方式对第一推进驱动系统的推 进马达和电力转换器进行控制，但是经常是根据减载和稳定特性的要 求来进行控制的。实际上，例如，除了当分配电压诸如在保护折返事
16件期间较低或当所请求的负载功率大于可得到的发电能力时，如果包 括螺旋桨、推进马达和电力转换器的推进驱动器对操作员命令的响应 将不会使船舶配电和推进系统不稳定，则推进驱动器将响应操作员命 令(例如，直接从船舶的控制级提供的请求信号)。当推进驱动器的 响应将使船舶配电和推进系统不稳定时，则其负载将优选地根据需要 被调节和/或逐步地减少，以稳定分配电压。
根据电源折返和稳定特性能调节第一推进电力产生系统的电力 转换器。
优选地，第一推进电力产生系统的电力转换器连接至第一推进 驱动系统的一个或两个电力转换器以及第一业务分配系统的至少一 个配电板。优选地，第一推进驱动系统的电力转换器连接至第一业务 分配系统的至少一个配电板。
优选地，第一电力产生系统的至少一个电源通过电力转换器连 接至第一业务分配系统的至少一个配电板。
优选地，分区配电子系统的分区能量存储器也通过电力转换器 连接至第一业务分配系统的至少一个配电板。在这两种情况下，优选 地，电力转换器是脉宽调制直流/直流转换器。
当电力从第一业务分配系统流入分区配电子系统的分区能量存 储器时，分区配电子系统的分区能量存储器和第一业务分配系统的至 少一个配电板之间的直流/直流转换器优选地被极化为升压斩波器， 当电力从分区配电子系统的分区能量存储器流入第一业务分配系统 时，该直流/直流转换器被极化为降压斩波器。
第一业务分配系统的至少一个配电板优选地包括具有触点的保 护开关装置。优选地，根据电源折返和稳定特性来调节将第一电力产 生系统的至少一个电源连接至第一业务分配系统的至少一个配电板 的电力转换器，以及优选地，根据减载和稳定特性来调节至少一个电 负载。只有当已经通过电源折返和稳定特性与下列之一交互作用而将 分配电压和分配电流降至可接受的水平时才使所述保护开关装置的 触点断开(a)使一个过低的阻抗连接在分配电压两端的故障，(b) 在船舶配电和推进系统内自动产生的超驰(overriding)交互跳闸命令，(C)在船舶配电和分配系统内手动产生的超驰交互跳闸命令， 和(d)远程产生的超驰交互跳闸命令。而且，只有当所述触点两端 的电压极性使得任何瞬时或浪涌电流受到下列之一的限制时才使所 述保护开关装置的触点闭合(a)电源折返和稳定特性以及电源起 动程序；和(b)减载和稳定特性。
优选地，通过电源折返和稳定特性的瞬时负载线函数和通过减 载和稳定特性的负载电流函数的变化率的限制来使分配电压稳定。
第一电力产生系统可包括多个并联连接的电源，这些电源用于 向第一业务分配系统供电，其中每个电源的电源折返和稳定特性的稳 态下垂函数可协调所述多个电源的稳态电流分配，以及其中每个电源 的电源折返和稳定特性的瞬时负载线函数可协调所述多个电源的瞬 时电流分配。
第一电力产生系统的至少一个电源的输出电压和输出电流可被 调整为电流是单向的。稳态输出电压是卸载总线电压调整点和稳态下 垂分量之和，所述稳态下垂分量与负载电流成比例以使得稳态输出电 压与稳态负载线一致。与稳态加载点有关的瞬时负载电流变化使得输 出电压跟随瞬时负载线，所述瞬时负载线的梯度小于稳态负载线的梯 度。稳态电流被限制为特定的水平。如果负载电流瞬时地超过稳态电 流极限并接近但没有超过一个特定的瞬时电流极限水平，则输出电压 将相对于稳态负载线瞬时减小，并且当稳态电流降低至稳态电流极限 以下时，输出电压将恢复至稳态负载线。如果负载电流连续超过稳态 电流极限或者超过所述特定的瞬时电流极限水平，则应用折返使得输 出电压和输出电流根据再生过程而基本上降为零(在某些情况下，输 出电流降低至一个非常低的水平(例如，关于2A)可能是有利的，
以便于对负载阻抗的感测)，并且输出电压和电流基本上保持为零， 直到负载阻抗已经增大到超过一个特定的水平。如果负载阻抗增大到 超过所述特定的水平，那么负载电压开始部分恢复，然后斜向上升至 一个期望的操作点。
可根据一个时变斜坡率将负载电压斜向上升至所述期望的工作 点，所述时变斜坡率被指定为使得船舶配电和推进系统内的得到的电压瞬变最小化。
配电系统还可包括第二电力产生系统，第二电力产生系统包括 用于给第二业务分配系统供电的至少一个电源。所述第二业务分配系
统优选的包括至少一个直流分配母线，用于运送分配电压和分配电 流；和至少一个配电板，其包括带有触点的保护开关装置。分区配电 系统的分区能量存储器可连接至所述第二业务分配系统的至少一个 配电板。以这种方式，可从第一业务分配系统和/或第二业务分配系 统向分区能量存储器供电。
船舶配电和推进系统还可包括第二推进驱动系统，第二推进驱 动系统包括推进马达和电力转换器。用于向第二推进驱动系统供电的 第二推进电力产生系统优选地包括发电机和电力转换器。
所述第一和第二推进驱动系统中的每一个均可以包括一个由各 自的推进马达驱动的螺旋桨。作为选择，可使用第一和第二推进驱动 系统的推进马达来驱动公共的螺旋桨(所谓的级联推进驱动器)。形 成级联推进驱动器的推进马达可以是集成在一起的或者是分开的，但 是它们将共用同一个螺旋桨轴系统。易于理解的是，单独的船舶可根 据其推进要求使用任何特定数量和结构的推进驱动器。螺旋桨可以是 任何方便的类型，例如传统的多叶螺旋桨或导向式螺旋桨。
所述第一和第二推进电力产生系统中的每一个均可以包括一个 原动机(类似例如，涡轮机)，该原动机用于驱动各个发电机。
所述第一和第二推进驱动系统的推进马达优选地具有高温超导 (HTS)绕组。更具体地讲，励磁绕组和电枢绕组中的一个或者两个 都可以由形成于或者包括任何适合的HTS材料(即，通常在大约25K 以上时具有超导特性(零电阻以及运送非常高的电流密度的能力)的 一种材料)的电缆、磁带或电线制成。
励磁绕组通常位于推进马达的转子上，电枢绕组通常位于推进 马达的定子上，但是相反布置也是可行的。推进马达的转子和定子中 的一个或两个还可以包括块状HTS材料，易于理解的是，在此使用的 术语"绕组"应该被认为包括在传统的绕组模式中并不配置的块状 HTS材料。例如，块状HTS材料可形成如英国专利申请2431519中所
1述的超导磁系统的一部分，在英国专利申请2431519中，布置了可使 用热手段来在两个磁化状态(例如抗磁性、铁磁性)之间进行切换的 磁性材料，以重复地磁通泵送(flux pump)磁场来使块状HTS材料 磁化或消磁。在转子和定子中只有一个具有超导绕组的情况下，另一 个可具有传统的例如铜绕组或永久磁铁。
在正常的操作中，期望的是HTS绕组将保持在30K和77K之间， 这是因为这样能消除使用液氦作为冷却剂的必要，并且这是因为HTS 导体能承受的电流密度是与温度有关的(当温度降低时可承受的电流 密度增加)。因此，所设计的HTS绕组的工作温度是期望电流密度和 相关低温冷却装置的实用性能限制之间折衷的结果。使用HTS绕组使 得推进马达以比传统马达高出很多的空气隙切应力来操作。其主要优 点是显著地提高了功率密度和效率。
推进马达可以由所述第一和第二推进驱动系统的相关电力转换 器单独地或双重地馈电。
有利地，用于所述第一和第二推进驱动系统的电力转换器的电 力电子设备与推进马达完全集成在一起。优选地，将电力转换器设计 为使得相关的推进马达的性能最大化并且有助于配电系统稳定性。所 述第一和第二推进驱动系统的推进马达还可具有使用静态电源电子 设备的电子换向器电路。
所述第一和第二推进驱动系统的推进马达一般将包括转子和定 子，所述转子同轴地位于定子内部或外部。
可使用超导电缆或母线来实现所述至少一个直流分配母线。这 种超导电缆可以由形成于任何适合的HTS材料或包括任何适合的HTS 材料的电缆、磁带或电线制成。
所述第一和第二推进电力产生系统的发电机优选地具有HTS绕 组。更具体地讲，励磁绕组和电枢绕组中的一个或两个可以由形成于 任何适合的HTS材料或包括任何适合的HTS材料的电缆、磁带或电线 制成。励磁绕组通常位于发电机的转子上，电枢绕组通常位于发电机 的定子上，但是相反的布置也是可行的。发电机的转子和定子中的一 个或两个还可包括块状HTS材料。在转子和定子中只有一个具有超导绕组的情况下，则另一个可以具有传统的例如铜绕组或永久磁铁。
使用HTS绕组使得发电机能以比传统发电机高出很多的空气隙 切应力来操作。其主要优点是显著地提高了功率密度和效率。
有利地，所述第一和第二推进驱动系统的电力转换器的电力电 子设备与推进马达完全集成在一起。所述第一和第二推进驱动系统的 推进马达还可具有使用静态电源电子设备的电子换向器电路。采用 HTS绕组的发电机所存在的一个问题是它们预期的故障电流相对较 高。这可以通过使用电力转换器来克服，该电力转换器能限制配电系 统中的故障电流，而同时又能保持高质量的供电以及有助于配电系统 稳定性。
易于理解的是，采用HTS绕组的发电机和推进马达体积极小并
且重量轻，并提供了最高的电效率，并且与无槽电te绕组结合能产生 低水平的噪声和振动。这使得它们尤其适于在船舶上使用。优选地， 发电机、推进马达和相关的电力转换器能通过编程的电源管理和适度 退化来有助于配电稳定性和可用性。
所述第二推进电力产生系统的电力转换器优选地与所述第二推 进驱动系统的功率转换器中的一个或两个连接，以及与所述第二业务 分配系统的至少一个配电板连接。所述第二推进驱动系统的电力转换 器优选地与所述第二业务分配系统的至少一个配电板连接。
所述第一推进电力产生系统的电力转换器优选地与所述第二推 进驱动系统的电力转换器连接。所述第二推进电力产生系统的电力转 换器优选地与所述第一推进驱动系统的电力转换器连接。
所述第一推进驱动系统优选地具有三个电源输入端，每个输入 端均是可选择的(例如，借助于手动连接的链路系统或其它适当的绝 缘装置)。第一电源输入端可与第一推进电力产生系统连接，第二电 源输入端可与第二推进电力产生系统连接，以及第三电源输入端可与 第一业务分配系统的至少一个配电板连接。因此可由第一推进电力产 生系统通过第一电源输入端和/或由第二推进电力产生系统通过第二 电源输入端给第一推进驱动系统供电。还可从第一业务分配系统通过 第三电源输入端给第一推进驱动系统供电。如果第一推进驱动系统是在再生模式下操作的，那么其还能用于给第一业务分配系统供电。
所述第二推进驱动系统优选的具有三个电源输入端，每个输入 端都是可选择的(例如，借助于手动连接的链路系统或其它适当的绝 缘装置)。第一电源输入端可与第一推进电力产生系统连接，第二电 源输入端可与第二推进电力产生系统连接，并且第三电源输入端可与 所述第二业务分配系统的至少一个配电板连接。因此可由第一推进电
力产生系统通过第一电源输入端和/或由第二推进电力产生系统通过 第二电源输入端给第二推进驱动系统供电。还可从第二业务分配系统 通过第三电源输入端给第二推进驱动系统供电。如果在再生模式下操 作第二推进驱动系统，那么还能将第二推进驱动系统用于给第二业务 分配系统供电。
女口果所述第一和第二业务分配系统的配电板被互连或交叉连 接，那么还能提供配电系统的两侧之间的进一步冗余。
所述第一推进电力产生系统优选地具有第一和第二电源输出 端，每个电源输出端均是可选择的(例如，借助于手动连接线路的系 统或其它适当的绝缘装置)。第一电源输出端可与第一推进驱动系统 的第一电源输入端连接，并且第二电源输出端可与所述第二推进驱动 系统的第一电源输入端连接。因此第一推进电力产生系统可通过第一 电源输出端给第一推进驱动系统供电和/或通过第二电源输出端给第 二推进驱动系统供电。如果第一推进电力产生系统具有一个可选择的 并且与第一业务分配系统的至少一个配电板连接的第三电源输出端， 那么它还可以给第一业务分配系统供电。
所述第二推进电力产生系统优选地具有第一和第二电源输出 端，每个电源输出端均是可选择的(例如，借助于手动连接线路的系 统或其它适当的绝缘装置)。第一电源输出端可与第一推进驱动系统 的第二电源输入端连接，第二电源输出端可与所述第二推进驱动系统 的第二电源输入端连接。因此第二推进电力产生系统可通过第一电源 输出端给第一推进驱动系统供电和/或通过第二电源输出端给第二推 进驱动系统供电。如果第二推进电力产生系统具有一个可选择的并且 与第二业务分配系统的至少一个配电板连接的第三电源输出端，那么它还可以给第二业务分配系统供电。
可对所述船舶配电和推进系统进行配置，使得可由下述中的一 个或多个通过所述至少一个配电板向所述第一业务分配系统供电第 一电力产生系统；分区配电子系统的分区能量存储器；在再生模式下 操作的推进驱动系统；推进电力产生系统；和远程电源系统(例如岸 基电源)。这提供了相当可观的冗余度。
所述第一电力产生系统的至少一个电源优选地是下述中的一个 或多个柴油发电机；燃气涡轮发电机；蒸汽涡轮发电机；组合循环 燃气和蒸汽涡轮发电机；闭式循环(非通气)柴油发电机；电池；燃
料电池；流通池；飞轮发电机；超电容(即具有极高容量和电容容量 密度的电容器)和超导磁能存储器。这不应被看作是穷尽列表，将容 易理解也可以使用其它电源。在所述第一电力产生系统的至少一个电 源是发电机的情况下，则该电源可选择采用HTS绕组。任何相关的电 力转换器的电力电子设备还可与发电机完全集成在一起。
所述至少一个开关装置包括分配母线、输入母线、输出母线。 至少一个机电致动的卸载双极开关优选地与所述分配母线连接。所述 至少一个开关装置优选地由一个电子控制系统来控制，该电子控制系 统包括电子处理器，所有分配母线、输入母线和输出母线上的电流 传感器，所有分配母线、输入母线和输出母线的电压传感器，交互跳 闸输入端，交互跳闸输出端，和用于开关致动器的驱动器。该电子控 制系统还可以包括局部操作者接口和远程控制接口。


图1是采用全电力推进(FEP)的传统船舶配电和推进系统的示
意图2是根据本发明的船舶配电和推进系统的示意图3是表示形成图2的船舶配电和推进系统的一部分的电源的
输出电压相对输出电流特性的示图4为表示形成图2的船舶配电和推进系统的一部分的电负载
的负载电流相对供电电压特性的示23图5为形成图2的船舶配电和推进系统的一部分的保护开关装
置的示意图；以及
图6为表示形成图2的船舶配电和推进系统的一部分的电源的 输出电压相对输出电流特性的示图，其中示出了不完全减载的效果。
具体实施例方式
现在将参照图2说明根据本发明的船舶配电和推进系统的基本 布局。应该理解的是，图2的所有输入、输出、终端和互连都是双极 直流型的。
第一推进电力产生系统(PPGS)包括涡轮机1，该涡轮机1驱动 发电机2向输出转换器3供电。类似地，第二PPGS包括涡轮机10， 涡轮机IO驱动发电机11向输出转换器12供电。第一推进驱动系统 (PDS)包括由推进马达5驱动的螺旋桨6，推进转换器4对推进马 达5的电力流进行调整。类似地，第二 PDS包括由推进马达8驱动的 螺旋桨9，推进转换器7对推进马达8的电力流进行调整。输出转换 器3和12每个都具有三组输出端，推进转换器4和7每个都具有三 组输入端，所有这些端子都具有将在下面更详细说明的连接配置。
发电机2和ll采用了高温超导(HTS)转子绕组，输出转换器3 和12与电机完全集成在一起。换句话说，发电机2和11具有集成的 电力电子设备。采用HTS转子绕组的发电机将会具有非常低的电抗， 正常情况下，如果将它们与传统的交流配电系统连接，那么将使问题 复杂化。这些复杂包括高的预期短路故障电流、高的预期短路转矩、 和高的输出电压失真导纳，所有这些都将严重地制约这种发电机的设 计。然而，集成的电力电子设备有效地去除了发电机2和ll与船舶 配电和推进系统的其它部分之间的耦合，从而消除了上述的复杂问题 并且给予了发电机设计者摆脱与那些复杂问题相关的设计制约的更 大自由。考虑到低温系统的安全工作方式，在运转效率和稳定性上， 可优化发电机2和11的励磁。
发电机2和ll可采用具有使用静态电力电子设备的电子换向器 电路的"主动"定子，这种"主动"定子使设计者具有更大弹性来提高性能。该电力电子设备是模块化的，且完全集成在电机内，以共用 冷却系统、辅助系统、结构和外壳，从而能获得高的功率密度。
根据以下将详细描述的电源折返和稳定特性来调整输出转换器
3和12。发电机2和11的低故障电抗和存储在HTS转子绕组中的大
量能量意味着在严重故障模式发生时，发电机的输出电压不大可能快
速降低到足以保护相关输出转换器3和12的电力电子设备。这意味 着几乎所有的严重故障模式都将在相关输出转换器内导致永久的损 坏，除非采用另外的保护装置。因此，例如每个输出转换器3和12 可包括许多并联的通道，每个通道均由快溶保险丝进行保护。换句话 说，可对输出转换器3和12进行设计，使其在连续的故障模式后能 提供适度退化。
例如，涡轮机l和IO可以是以简单循环或组合循环方式运行的 蒸汽或燃气涡轮机。燃气涡轮机可以是在简单或互冷却和/或复原循 环方式中运行的单个或多个转子类型。易于理解的是，根据特定的情 况，可以使用柴油内燃机和热气机来代替涡轮机。
推进马达5和8采用HTS转子绕组，以及推进转换器4和7与 电机完全集成在一起。换句话说，推进马达5和8具有集成的电力电 子设备。推进马达5和8可位于船舶的船体内(即，船内推进马达经 由与尾轴压盖对齐的轴来驱动螺旋浆)，或者处于悬挂在船舶的船体 下方的船舱中来提供推进和方向操纵，或者同轴地位于潜艇船体的外 部。推进马达5和8可被配置为它们转子同轴地处于它们定子的内部 或外部。考虑到低温系统的安全工作方式，在运转效率和稳定性上， 可优化推进马达5和8的激励。
推进马达5和8可采用具有使用静态电力电子设备的电子换向 器电路的"主动"定子，这种"主动"定子使设计者具有更大弹性来 提高性能。该电力电子设备是模块化的，且完全集成在电机内，以共 用冷却系统、辅助系统、结构和外壳，从而能获得高的功率密度。
根据以下将详细描述的减载和稳定特性来调整推进马达5和8。
第一船舶业务电力产生系统(SSPGS)包括柴油机13，其驱动发 电机14给输出转换器15供电。类似地，第二 SSPGS包括柴油机17，其驱动发电机18给输出转换器19供电。多个分区配电子系统中的每
个均包括一个分区供电单元(ZPSU) 23，其将电力馈送到传统的低压 (LV)分配系统并从与第一直流/直流转换器21和第二直流/直流转 换器24连接的分区能量存储器(ZES) 22汲取电力。在图2中，示 出了三个分区配电子系统，但实际上可以使用更多或更少的分区配电 子系统。
可使用Boughton Road， Rugby， Warwickshire, CV21 1BU， United Kingdom的Converteam公司(此后称、为"Converteam，，)提供的凸 极式同步发电机的ALTOA、BETA和GAMMA系列来实现发电机14和18。 易于理解的是，根据船舶配电和推进系统的特定要求，还可使用具有 HTS转子绕组和/或HTS定子绕组的电机来实现发电机14和18。
可梗用Converteam提供的脉宽调制(PWM)电压源倒相器的 VDM2500、 MV7000和MV300系列来实现输出转换器15和19。易于理 解的是，还可以使其与发电机14和18完全集成在一起的方式来实现 输出转换器15和19。
可使用Converteam公司提供的DELTA模块来实现直流/直流转 换器21和24与ZPSU 23。
第一船舶业务分配系统(SSDS)包括直流分配母线25、 27和29 (可选择性地使用HTS电缆或母线来实现)，其间插入有配电板16、 26和28，下面将进行更加详细的说明。类似地，第二SSDS包括直流 分配母线30、 32和34 (可选择性地使用HTS电缆或母线来实现)， 其间插入有配电板20、 31和33。在图2中，第一和第二 SSDS中的 每个均包括三个配电板，该数量与所示出的分区配电子系统的数量相 关，但实际上该数量可以更多或更少。岸基电源39与岸基电源输出 转换器38连接。
船舶配电和推进系统的各个部件以如下方式进行互连
推进转换器4的第一输入端通过互连41与输出转换器3的第一 输出端连接。
推进转换器4的第二输入端通过互连43与输出转换器12的第 一输出端连接。推进转换器4的第三输入端通过互连42与配电板16的第一输 出端连接。
推进转换器7的第一输入端通过互连46与输出转换器3的第二 输出端连接。
推进转换器7的第二输入端通过互连44与输出转换器12的第 二输出端连接。
推进转换器7的第三输入端通过互连45与配电板20的第一输 出端连接。
输出转换器15的输出端与配电板16的第一输入端连接。 输出转换器19的输出端与配电板20的第一输入端连接。 输出转换器3的第三输出端通过互连47与配电板16的第二输
入端连接。 :
输出转换器12的第三输出端通过互连48与配电板20的第二输
入端连接。
直流/直流转换器21的供给端与配电板16的第二输出端连接。 直流/直流转换器24的供给端与配电板20的第二输出端连接。 配电板16的交联端通过交叉线路35与配电板20的交联端连接。 配电板26的交联端通过交叉线路36与配电板31的交联端连接， 并通过岸电线路37与输出转换器38的输出端连接。
类似地，配电板26、 28、 31和33与附加的分区配电子系统连接。
类似地，配电板28和33通过交叉线路40连接。 将易于理解的是，术语"输入"和"输出"指的是电力流的正 常方向，但在某些情形中也可以是将从输入端流出和流入到输出端中 的情况。例如，电力将通常从配电板16的第一输出端到推进转换器 4的第三输入端流过互连线路42。然而，如果假设推进马达5是在再 生模式下操作，则电力将从推进转换器4的第三输入端通过互连42 流入配电板16的第一输出端。
现在将参照图3说明在短路或低阻抗故障情况下流动的电流被 截断的处理。为了说明，故障被认为发生在直流/直流转换器21内。
27在故障之前有可变负载电流流动，以及包括柴油机13、发电机14和 输出转换器15的电源的保护动作被认为用来中断故障。然而，应该 注意下述说明可同样应用于可在船舶配电和推进系统中的任何地方 发生的故障和向船舶配电和推进系统馈电的任何电源。
图3表示用于包括柴油机13、发电机14和输出转换器15的电 源的输出电压相对可变输出电流的特性曲线。通过传统的调速器 (governor)来控制柴油机13并将其设置为在任何方便的旋转速度 下运行。通过传统的自动电压调节器(AVR)来调整发电机14，并将 发电机输出电压设置为任何方便的水平。调节器(未示出)根据图3 所示的折返和稳定特性来调整输出转换器15;该特性基本上不依赖 于传统调速器和AVR的动作。任何方便类型的调节器都可用于调整输 出转换器15，但可编程数字调节器将是优选类型。
向输出转换器15的调节器提供卸载总线电压调整点("调整 点")，并且所述折返和稳定特性曲线的所有其它区域都是从此导出 的。在正常操作中，随着直流/直流转换器21中的负载电流逐渐增加， 输出转换器15的输出电流也逐渐增加，并且输出转换器15的输出电 压根据稳态负载线降低，所述稳态负载线根据稳态下垂而相对于调整 点下降。所述稳态下垂可与输出电流成比例或者它也可以与任何其它 适当的特性曲线相符。通过快速的启动调节器动作，负载电流中会发 生瞬变现象，并且等价的输出电流将会使输出电压偏离稳态负载线。 如果输出电流和电压的稳态平均值处于图3中所示的稳态荷载点，并 且输出电流的瞬时扰动发生在稳态荷载点附近，则输出电压将与关于 所述示例稳态荷载点的瞬时负载线相符。所述瞬时负载线在图3中由 在稳态荷载点两侧上延伸的虚线箭头表示，并且它可以偏离所述稳态 负载点一个程度，所述程度可与输出电流瞬时扰动成比例，或者它可 与任何其它适当的特性曲线相符。
输出电流受快速动作超驰瞬时电流极限控制，使得输出电压降 低以防止输出电流的瞬时电平超过所述瞬时电流极限。负载电流也受 稳态电流限制控制，使得输出电压降低以防止输出电流的稳态平均电 平超过稳态电流极限。如果负载阻抗降至稳态折返特性曲线的梯度以下，那么就应用折返。这意味着瞬时输出电流限度将被降低至依赖于 输出电压的一个水平，该相依性造成了输出电流和输出电压的再生减 小。再生动作集中在输出电流和输出电压已经被降低至近似为零的 点。实际上，当在稳态输出电流正接近稳态电流限度的时间出现故障 时，输出电流将快速增加直到瞬时电流限制动作使输出电压衰减。然 后应用折返并且认为在输出电流和输出电压接近零时截断所述故障。 由于将要解释的原因，所述实际的折返特性使得瞬时电流极限的最小 水平是较小的、非零水平。
在故障电流实际上已经被截断的点，较小、非零水平的输出电 流将通过配电板16中的保护开关装置流到由直流/直流转换器21表 示的负载中。如果该开关装置被断开并且能够截断所述较小、非零电 平，那么倘若不存在其它负载，则分配电压将升高。
在不存在其它负载的情况下，已知将在分配电压升高时清除所
述故障。因为当分配电压增加时，负载阻抗已经增加超过稳态折返特 性曲线的梯度的阻抗，所以折返的再生动作被释放，并且分配电压返 回至由调整点设置的水平。
在与直流/直流转换器21并联有额外负载的情况下，如果通过 该负载呈现的阻抗小于稳态折返特性曲线的梯度的阻抗，则将不释放 折返。当多个负载并联并且必须将它们返回到故障阶段和清除之后的 操作、并且分配电压减小至低于正常工作水平以便允许释放折返时， 对于它们来说需要减少负载。
本发明的折返和稳定特性曲线的益处是在以近似零电流-零电 压条件下操作时调用保护开关装置，由此就不需要利用使用复杂弧控 制装置来阻止直流电的传统开关装置。折返和稳定特性曲线还便于使 多个完全不同类型的电源进行并联，因为可通过快速动作的调节器功 能和功率电子装置来控制各个电源输出特性。这样不同发电机类型的 特性阻抗和响应特性就能被去耦。
现在将参照图4更详细地说明所述相关的减载和稳定特性曲线。 为了该说明的目的，与先前参照图3说明的相同故障被考虑发生在直 流/直流转换器21内，而通过包括螺旋桨6、推进马达5和推进转换器4的推进驱动器呈现出一个额外负载。这意味着直流/直流转换器 21和所述额外负载被并联。可变负载电流在故障之前流动，以及包
括柴油机13、发电机14和输出转换器15的电源的保护动作可考虑
用于截断所述故障。
在直流/直流转换器21中发生故障之前，输出转换器15的输出 电流是从直流/直流转换器21和推进器汲取的负载电流之和。通过控 制推进转换器4的调节器来调整推进驱动器负载。推进驱动器负载可 被调整以获得恒定的推进功率或满足任何其它的操作要求，但恒定功 率情况能更好地说明减载和稳定特性曲线。如果从推进转换器4汲取
恒定推进功率，那么其负载电流将与其电源电压近似成反比。(将电
源电压的减小与负载电流的增加相关联以保持恒定功率。)已知推进 转换器具有电源电流限制功能，当推进转换器负载处于额定功率并且
电源电压被降低至额定最小值以下时，所述电源电流限制功能会防止 其超过所述额定电流极限。图4表示当处于恒定功率时的电源电压和 负载电流的三条曲线。最上侧恒定功率曲线对于"恒定额定功率"是 特定的，并且该曲线与用于额定负载的额定电流极限和最小电压的线 交叉。如果电源电压被减小至低于该交点，那么负载电流初始被恒定 的保持在额定电流极限水平处，并且推进负载功率与电源电压成比例 的减小。如果将电源电压减小至低于减载阈值，那么就认为实施了减 载，并且负载电流从已知的额定电流极限偏离，并根据依赖于第一电 源电压的电流极限对其进行调整。这意味着按照比与电源电压成比例 的序律更高的序律来减小推进负载功率。减载被施加，直到电源电压 被降至一个特定的绝对最小加载电压，考虑在所述特定的绝对最小加 载电压下，作为故障的结果，分配电压已经衰减，并且会发生欠电压 跳闸。
当发生欠电压跳闸时，推进驱动器呈现出一个受控的状态，在 所述受控状态下其电源电流通过推进转换器4被切断，并且保持对推 进驱动器的控制以便故障条件一旦被清除就能够快速重启。推进驱动 器保持在这种受控状态下直到电源电压已经被提高至一个特定的水 平，在该特定的水平减载被释放并且允许根据依赖于第二电源电压的
30电流极限来提高负载电流直到恢复正常(非电流限制)的工作。
倘若电源电压在规定的极限内，上述的减载特性的益处在于允 许推进驱动器或任何其它负载有效地从电源汲取电力。所述"恒定减 小功率曲线"显示出电源电流将如何解除限制，直到电源电压被降至 负载电流的曲线与额定电流极限和减载阈值的线交叉的点。"处于允 许低电源电压的恒定减小功率"曲线显示出当通过远低于"用于额定 负载的电压"的范围的电源电压以相对低的输出功率操作推进驱动器 时，电源电流将如何解除限制。本发明允许具有例如5kV正常电源额 定值的中压驱动器能够从具有例如750V的正常电源电压额定值的
SSDS电源进行操作，并且能够提供相比于传统配电系统明显不同的
技术优点。另外，倘若保护开关装置被指令打开以便清除故障，则本 发明中的低于"绝对最小加载电压"的减载特性的益处在于允许释放 电源折返。
减载和稳定特性的另一个方面是调整负载以使可能响应电源电 压或驱动系统中的其它扰动而出现的负载电流的变化率最小化。在这 种情况下，如果负载正操作在所述"示例稳态加载点"处(在最小和 正常电平之间的电源电压处)并发生电源电压波动，则负载电流将偏 离恒定功率曲线并将采用"关于示例稳态加载点的瞬时负载线"。本 领域的读者将会意识到在没有引发不稳定的情况下能够应用于具有
特定动态源阻抗的电源的最小动态负载阻抗是动态源阻抗的函数， (即，如果动态负载阻抗太低，则不能使分配电压稳定)。因此本发 明的减载和稳定特性提供了确保动态负载阻抗相对于动态源阻抗足 够大以保证获得稳定分配电压的必要手段。应该注意术语"动态源阻 抗"和"动态负载阻抗"并不意味着必须利用实际的物理阻抗和间接 功耗以便使分配电压稳定。相反，所述涉及的是模仿等效无源元件的 效果和传递函数的经典控制函数。减载和稳定特性还便于将一个以上 的负载并联到一个公共耦接点，并且负载分配在一个宽范围的电源电 压上都是有效的。当负载和电源组并联时，所述电源组所经受的总动 态负载阻抗是负载特性的并联组合，并且这些电源组可被编程以通过 被设计为最大的动态源阻抗实现稳定的操作。随着将并联电源加入到分配网络上，动态源阻抗被减小并且稳定边际将扩大。
在图2的配电布局中，可常规地调用直流/直流转换器21和24，
一部分时间将其作为负载操作并且在剩余的时间将其作为电源操作。
当对ZES 22充电和/或给ZPSU 23馈电时，直流/直流转换器21和 24的调节器必须遵照上述的减载和稳定特性曲线。当ZES 22正在通 过直流/直流转换器21和24给SSDS馈电时，直流/直流转换器21 和24的调节器必须遵照上述的折返和稳定特性曲线。在这些特性曲 线之间需要无级双向转移。还可以赋予推进驱动器用于双向电力流的 能力。
当不要求或不允许电源从另一个电源接收电力时，采用如图3 中所示的折返和稳定特性曲线的防反馈区域。借助这种手段，先前存 在的电源电压可与电源的输出端连接，并且其输出电压可被斜向上倾 斜直到穿过所述特性曲线的防反馈区域，并且电源输出电力。防反馈 功能的一个益处是用于SSDS的开关装置可被闭合到电源输出端上， 而不会遭受浪涌电流，也不会要求电源具有与交流电分配系统通常相 关的复杂同步装置。
现在将参照图5说明配电板16、 26、 28、 20、 31和33内的保 护开关装置的操作。应该注意由于下面将要更加详细说明的原因，图 5中示出的是全双极格式，而不是图1中使用的单线格式。配电板16、 26、 28、 30、 31和33的功能性与一般处理一致，并且将在不详细参 照任何特定配电板内的确切电路的情况下来说明该一般功能性。特定 配电板的详细电路与图5中所示的一般配电板的不同之处仅在于切 换输入和输出的数量。应该理解可通过任何方便数量的输入和输出来 产生配电板。
图5的一般配电板包括多个电力端。所述电力端的一半(即标 记101、 105、 108、 110和112的那些)与直流系统的正(+)极相关 联。所述电力端的另一半(即标记102、 106、 107、 109和111的那 些)与直流系统的负(-)极相关联。
还提供有两个分配母线。第一母线103与直流系统的正极相关 联，而第二母线104与直流系统的负极相关联。许多单独的线路将电
32力端与第一和第二母线103和104连接。所述线路的一半(即标记
113、 117和116的那些)与直流系统的正极相关联。所述线路的另 一半(即标记114、 118和115)的那些与直流系统的负极相关联。
所述配电板包括两个双极马达驱动开关119和120与一个控制 系统。所述控制系统包括电子处理器139、与直流系统的正极相关的 第一系列电流传感器129、 137、 132、 134和136、与直流系统的负 极相关的第二系列电流传感器130、 138、 131、 133和135、与直流 系统的正极相关的第一系列电压传感器128、 121、 123和125、与直 流系统的负极相关的第二系列电压传感器127、 122、 124和126、局 部操作者接口 140、遥控接口 143、和分别与开关119和120相关的 两个交互跳闸接口 141和142。
可使用由Converteam所提供的PEC微控制器来实现电子处理器 139。可使用与PEC微控制器适当接口的专利马达驱动模制壳体和机 架型高速直流电路断路器来实现开关119和120。
线路113、 117、 116、 114、 118和115是手动栓接线路，其能 够使用户隔离船舶配电和推进系统的各个部分，但应该理解如果需 要，可通过附加的双极马达驱动开关来代替这些线路。
为了说明，电力端111和U2被认为连接至电源，而电力端109 和IIO被认为连接至负载。
现在将在没有详细参照控制系统的情况下说明开关装置的操作 处理。下面将对其进行更详细的说明。
当在负载中发生低阻抗故障时，故障电流流入电力端112、通过 分配母线103、流出电力端IIO、回到电力端109中、通过分配母线 104并流出电力端111。所述电路是通过双极开关119和120完成的。 所述控制系统能够确定在负载中己经发生故障，并且只有当零电流流 入该开关时才打开双极开关119而易化保护程序。将认识到当零电流 流过该开关时也可以打开双极开关120，但当其它负载通过分配母线 103和104与电源连接时，这并不是优选的，因为这些负载可能依赖 于在中断和清除上述的故障之后来自电源的电力流的恢复。
现在将说明通过所述控制系统提供的一些益处。电子处理器139以足够快的响应对由电流传感器129至138和 电压传感器121至128产生的信号重复采样以能够确定故障特性。已 经对低阻抗故障进行了说明，而该故障的存在情况及其确切特性将通 过电流传感器136、 134、 133和135联合电压传感器123和124来识 别。只要在折返处理变成再生之前执行故障电流的感测和检测，并中 断故障电流，则电流感测足以识别故障的开始和位置。 一旦折返己经 变成再生的，故障电流已经被中断并且分配电压己经衰减为近似零， 则电子处理器139确定打开开关是安全的并打开开关119。如上面简 要说明的，如果电子处理器139知道其它负载在故障开始之前就被提 供有电力，则开关119通常将优先于开关120被打开。其它负载的存 在情况将通过使用检测器129、 132、 137、 130、 131和138检测负载 电流来检测。
很明显，.这样一个电子处理器139和检测器的综合阵列将能够 检测宽范围的其它类型的故障，并且这些故障可使直流系统的正负极 中的电流不对称。例如，己知接地故障将使电流只在一个极中流动。 类似的，在接地故障期间将发生电压不对称。因此控制系统需要在电 源输出电流不过量的任意时间都能够使折返特性曲线可使用，该过程 是通过交互跳闸处理执行的。如果电子处理器139确定需要当正在运 送电流并且存在分配电压时打开任何特定的开关，则必须首先触发交 互跳闸。在图5中，交互跳闸信号141和142专用于这种分别与连接 端子112和111的电源以及连接端子110和109的负载通信。如果将 交互跳闸信号输出给接口 142，则与端子112和lll连接的电源必会 使其折返特性曲线受影响，并且必须通过接收超驰交互跳闸信号来启 动折返。在另一种情况中，负载中的一个严重故障条件可以是例如授 权交互跳闸。在这种情况下，交互跳闸信号141的接收将被电子处理 器139使用交互跳闸输出142解释为是使电源交互跳闸的需要。
在其它情况下，电子处理器139可响应其它命令(例如包括通 过局部操作人员接口 140产生的局部操作人员命令和通过遥控接口 143传来的外部产生的命令)产生交互跳闸程序。应该意识到这种电 子处理器139还可装备有全局交互跳闸接口 ，其将使船舶配电和推进系统中的所有电源交互跳闸。还应该理解，开关119和120不可虚假
地断开，它们也必须通过电子处理器139被交互跳闸和互锁。这种开
关可具有手动回复的操作模式，和可以借助早先断开的触点、机械互 锁和与电子处理器的适当连接来启动交互跳闸。
应该理解，根据本发明的大的船舶配电和推进系统可并入许多 这种类型的配电板。所述船舶配电和推进系统可进行物理扩展并且在 正负极之间具有相当大的容量。实际负载在正负极之间也可以具有容
量并且它们的减载可能是不完美的。应该意识到参照图3所述的折返 和稳定特性曲线并不会考虑这些问题，在图6中示出了实际的特性曲 线。在该实际特性曲线中，释放折返时的电压和电流的地方指示存在 由清除故障之后分配电压的恢复所得到的电流。
权利要求
1. 一种船舶配电和推进系统，其包括第一推进驱动系统，其包括具有超导绕组的推进马达和电力转换器；第一推进电力产生系统，其用于向所述第一推进驱动系统供电，所述第一推进电力产生系统包括具有超导绕组的发电机和电力转换器；以及第一电力产生系统，其包括用于向第一业务分配系统供电的至少一个电源，所述第一业务分配系统包括至少一个直流分配母线，用于运送分配电压和分配电流，以及至少一个配电板。
2. 根据权利要求l所述的系统，其中根据减载和稳定特性来调整所述第一推进驱动系统的推进马达。
3. 根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中根据电源折 返和稳定特性来调整所述第一推进电力产生系统的电力转换器。
4. 根据前述权利要求中的任一权利要求所述的系统，其中所述 第一推进电力产生系统的电力转换器与所述第一推进驱动系统的电 力转换器连接。
5. 根据前述权利要求中的任一权利要求所述的系统，其中所述 第一推进电力产生系统的电力转换器与所述第一业务分配系统的至 少一个配电板连接。
6. 根据前述权利要求中的任一权利要求所述的系统，其中所述 第一推进驱动系统的电力转换器与所述第一业务分配系统的至少一个配电板连接。
7. 根据前述权利要求中的任一权利要求所述的系统，还包括分 区配电子系统，该分区配电子系统包括分区供电单元，其用于向至少一个电负载供电，以及 分区能量存储器，其与所述第一业务分配系统的至少一个配电 板连接，用于向所述分区供电单元供电。
8. 根据权利要求7所述的系统，其中所述分区配电子系统的分 区能量存储器通过电力转换器与所述第一业务分配系统的至少一个 配电板连接。
9. 根据权利要求8所述的系统，其中所述电力转换器是脉宽调 制直流/直流转换器。
10. 根据权利要求9所述的系统，其中当电力从所述第一业务 分配系统流入所述分区配电子系统的分区能量存储器中时，所述直流 /直流转换器被极化为升压断路器，而当电力从所述分区配电子系统 的分区能量存储器流入所述第一业务分配系统中时，所述直流/直流 转换器被极化为降压断路器。
11. 根据权利要求7至10中的任一权利要求所述的系统，其中 所述第一电力产生系统的至少一个电源通过电力转换器与所述第一 业务分配系统的至少一个配电板连接。
12. 根据权利要求ll所述的系统，其中所述电力转换器是脉宽 调制直流/直流转换器。
13. 根据权利要求11或权利要求12所述的系统，其中所述第 一业务分配系统的至少一个配电板包括具有触点的保护开关装置，其中根据电源折返和稳定特性来调整将所述第一电力产生系统的至少 一个电源连接至所述第一业务分配系统的至少一个配电板的电力转 换器，以及其中根据减载和稳定特性来调整至少一个电负载；其中，仅当己经通过电源折返和稳定特性与下列之一交互作用 而将分配电压和分配电流降至可接受的水平时才使所述保护开关装 置的触点断开(a)过低的阻抗连接至分配电压两端的故障，(b) 在船舶配电和推进系统内自动产生的超驰交互跳闸命令，(C)在船 舶配电和推进系统内手动产生的超驰交互跳闸命令，和(d)远程产 生的超驰交互跳闸命令；以及其中，仅当所述触点两端的电压极性使得任何瞬时或浪涌电流都受到下列之一的限制时才使所述保护开关装置的触点闭合(a) 电源折返和稳定特性以及电源起动程序；和(b)减载和稳定特性。
14. 根据前述权利要求中的任一权利要求所述的系统，其中通 过电源折返和稳定特性的瞬时负载线函数和通过减载和稳定特性的 负载电流函数的变化率的限制来稳定分配电压。
15. 根据权利要求13或权利要求14所述的系统，其中所述第一电力产生系统包括用于给所述第一业务分配系统供电的多个并联 的电源，其中通过每个电源的电源折返和稳定特性的稳态下垂函数来协调所述多个电源的稳态电流分配，并且其中通过每个电源的电源折 返和稳定特性的瞬时负载线函数来协调所述多个电源的瞬时电流分 配。
16. 根据前述权利要求中的任一权利要求所述的系统，其中对所述第一电力产生系统的至少一个电源的输出电压和输出电流进行调整，使得电流为单向；稳态输出电压是卸载总线电压调整点和稳态下垂分量之和，所 述稳态下垂分量与负载电流成比例以便稳态输出电压与稳态负载线一致；与稳态加载点有关的瞬时负载电流变化使得输出电压跟随瞬时 负载线，所述瞬时负载线的梯度小于稳态负载线的梯度； 稳态电流被限制为特定的水平；如果负载电流瞬时地超过稳态电流极限并接近但不超过一个特 定的瞬时电流极限水平，则输出电压将相对于稳态负载线瞬时地减 小，并且当稳态电流降低至稳态电流极限以下时，输出电压将恢复至 稳态负载线；如果负载电流连续地超过稳态电流极限或者超过所述特定的瞬 时电流极限水平，则应用折返来使得输出电压和输出电流根据再生处 理而实质上降为零，并且输出电压和输出电流保持实质为零直到负载 阻抗已经增大到超过一个特定的水平；和:如果负载阻抗增大到超过所述特定的水平，那么负载电压开始 部分恢复，然后斜向上升至一个期望的操作点。
17. 根据权利要求16所述的系统，其中根据一个时变斜坡率将 负载电压斜向上升至所述期望的操作点，所述时变斜坡率被指定为使 得所述船舶配电和推进系统内的得到的电压瞬变最小化。
18. 根据权利要求7至13中的任一权利要求所述的系统，其还 包括第二电力产生系统，第二电力产生系统包括用来向第二业务分配 系统供电的至少一个电源，所述第二业务分配系统包括至少一个直流分配母线，其用于运送分配电压和分配电流，以及至少一个配电板，其包括具有触点的保护开关； 其中所述分区配电系统的分区能量存储器与所述第二业务分配 系统的至少一个配电板连接。
19. 根据权利要求18所述的系统，其还包括 第二推进驱动系统，其包括推进马达和电力转换器；以及第二推进电力产生系统，其用于向所述第二推进驱动系统供电， 所述第二推进电力产生系统包括发电机和电力转换器。
20. 根据权利要求19所述的系统，其中所述第二推进电力产生系统的电力转换器与所述第二推进驱动系统的电力转换器连接。
21. 根据权利要求19或权利要求20所述的系统，其中所述第 二推进电力产生系统的电力转换器与所述第二业务分配系统的至少 一个配电板连接。
22. 根据权利要求19至21中的任一权利要求所述的系统，其 中所述第二推进驱动系统的电力转换器与所述第二业务分配系统的 至少一个配电板连接。
23. 根据权利要求19至22中的任一权利要求所述的系统，其 中所述第一推进电力产生系统的电力转换器与所述第二推进驱动系 统的电力转换器连接。
24. 根据权利要求19至23中的任一权利要求所述的系统，其 中所述第二推进电力产生系统的电力转换器与所述第一推进驱动系 统的电力转换器连接。
25. 根据权利要求19所述的系统，其中所述第一推进驱动系统具有三个电源输入端，每个输入端都是可选择的，其中第一电源输入端与所述第一推进电力产生系统连接，第二电源输入端与所述第二推进电力产生系统连接，以及第三电源输入端与所述第一业务分配系统 的至少一个配电板连接。
26. 根据权利要求25所述的系统，其中所述第二推进驱动系统 具有三个电源输入端，每个输入端都是可选择的，其中第一电源输入端与所述第一推进电力产生系统连接，第二电源输入端与所述第二推 进电力产生系统连接，以及第三电源输入端与所述第二业务分配系统 的至少一个配电板连接。
27. 根据权利要求25或权利要求26所述的系统，其中所述第 一推进电力产生系统具有第一和第二电源输出端，每个电源输出端都 是可选择的，其中第一电源输出端与所述第一推进驱动系统的第一电 源输入端连接，并且第二电源输出端与所述第二推进驱动系统的第一 电源输入端连接。
28. 根据权利要求27所述的系统，其中所述第一推进电力产生 系统具有第三电源输出端，该第三电源输出端是可选择的并与所述第一业务分配系统的至少一个配电板连接。
29. 根据权利要求25至28中的任一权利要求所述的系统，其 中所述第二推进电力产生系统具有第一和第二电源输出端，每个电源 输出端都是可选择的，其中第一电源输出端与所述第一推进驱动系统 的第二电源输入端连接，第二电源输出端与所述第二推进驱动系统的 第二电源输入端连接。
30. 根据权利要求29所述的系统，其中所述第二推进电力产生 系统具有第三电源输出端，该第三电源输出端是可选择的并且与所述第二业务分配系统的至少一个配电板连接。
31. 根据前述权利要求中的任一权利要求所述的系统，其中由 下述中的一个或多个通过所述至少一个配电板对所述第一业务分配 系统供电-所述第一电力产生系统；所述分区配电子系统的分区能量存储器；在再生模式下操作的推进驱动系统；推进电力产生系统；和 远程电源系统。
32. 根据前述权利要求中的任一权利要求所述的系统，其中所 述第一电力产生系统的至少一个电源是下述中的一个或多个柴油发电机；燃气涡轮发电机；蒸汽涡轮发电机；组合循环燃气和蒸汽涡轮发电机；闭式循环非通气柴油发电机；电池；燃料电池；流通池；飞轮发电机；超电容器；和超导磁能存储器。
33. 根据前述权利要求中的任一权利要求所述的系统，其中所 述第一推进驱动系统的推进马达具有高温超导绕组。
34. 根据前述权利要求中的任一权利要求所述的系统，其中用 于所述第一推进驱动系统的电力转换器的电力电子设备与所述推进 马达集成在一起。
35. 根据前述权利要求中的任一权利要求所述的系统，其中所 述第一推进驱动系统的推进马达具有使用静态电力电子设备的电子 换向器电路。
36. 根据前述权利要求中的任一权利要求所述的系统，其中所 述第一推进驱动系统的推进马达被安装在船舶的船体内。
37. 根据权利要求1至35中的任一权利要求所述的系统，其中所述第一推进驱动系统的推进马达被安装在船舶的船舱中。
38. 根据权利要求1至35中的任一权利要求所述的系统，其中 所述第一推进驱动系统的推进马达被同轴地安装在船舶的船体外部。
39. 根据前述权利要求中的任一权利要求所述的系统，其中所 述推进马达包括转子和定子，其中转子同轴地位于定子的内部或外 部。
40. 根据前述权利要求中的任一权利姜求所述的系统，其中使 用超导电缆或母线来实现所述的至少一个直流分配母线。
41. 根据前述权利要求中的任一权利要求所述的系统，其中所 述第一推进电力产生系统的发电机具有高温超导绕组。
42. 根据前述权利要求中的任一权利要求所述的系统，其中用 于所述第一推进电力产生系统的电力转换器的电力电子设备与所述 发电机集成在一起。
43. 根据前述权利要求中的任一权利要求所述的系统，其中所 述第一推进电力产生系统的发电机具有使用静态电力电子设备的电 子换向器电路。
全文摘要
本发明提供一种船舶配电和推进系统，可将其用于海军船舶和潜艇。该配电和推进系统包括第一推进驱动系统，第一推进驱动系统包括具有超导(优选为高温超导(HTS))转子绕组的推进马达(5)和电力转换器(4)。第一推进电力产生系统给第一推进驱动系统供电并且包括发电机(2)，发电机(2)具有超导(优选为HTS)转子绕组和电力转换器(3)。第一电力产生系统包括用于给第一业务分配系统供电的电源(14)，第一业务分配系统包括直流分配母线(25)(有选择地使用HTS电缆或母线来实现)，其用于运送分配电压和分配电流；和配电板(16)，其包括带有触点的保护开关装置。
文档编号H02J1/00GK101519116SQ20091000191
公开日2009年9月2日 申请日期2009年1月7日 优先权日2008年1月7日
发明者克莱夫·刘易斯, 艾伦·戴维·克兰 申请人:康弗蒂姆技术有限公司